عملیات حرارتی چیست

فولاد یکی از ضروری ترین و پر استفاده ترین فلزات روی زمین است که این آلیاژی قوی، همه کاره و پرکاربرد، از ترکیب آهن و کربن به وجود آمده و در ساختمان‌ها، زیرساخت‌ها، کشتی‌های آبی، اتومبیل‌ها، ماشین‌آلات، لوازم خانگی گرفته تا ظروف ساده مانند چنگال و قاشق کاربرد دارد و به نظر می‌رسد کاربردهای آن هیچ حد و مرزی ندارد. این به دلیل خواص بسیار مطلوب فولاد می باشد.

یکی از این ویژگی ها سختی آن می باشد. یعنی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل ناشی از فرورفتگی، ضربه یا سایش. با این حال، سختی طبیعی فولاد همیشه برای کاربردهای مهندسی خاص، مانند سازه ها و قطعات موتور کافی نیست.

به همین دلیل است که روش هایی برای افزایش سختی در کنار سایر خواص فولاد به طور قابل توجهی توسعه یافته که این روش ها به عملیات حرارتی معروفند.

سختکاری فولاد معمولا بر روی محصولات نهایی انجام می شود و نه بر روی مواد خام. برای مثال سختکاری فولاد بعد از ماشینکاری، فرآیندی است که بر روی قطعات ماشینکاری انجام می شود و نه مواد خام. این کار به چند دلیل انجام می شود.

اولاً، سخت کردن یک بلوک کامل فولاد مقرون به صرفه نیست، زیرا درصد زیادی از آن در فرآیند ماشینکاری حذف می شود. همچنین، ماشینکاری فولاد سخت شده بسیار دشوارتر است، زیرا سختی قطعه ، نفوذ ابزار را دشوارتر می کند.

ساختار های داخلی فولاد و سختی آن

همه فولادهایی که می بینیم ترکیب یکسانی ندارند و ترکیبات فولادی مختلفی برای اهداف مختلف ساخته شده اند. تفاوت فولاد ها به ساختار داخلی آنها باز می گردد طوری که با افزایش نیاز به فلزات قوی تر، سختکاری فولاد ضروری شد.

فولاد در ابتدایی ترین شکل خود استحکام و سختی نسبتا کمی دارد. با این حال، سختکاری فولاد به سادگی شامل فرآیندهایی است که به منظور حمایت از تشکیل یک ساختار داخلی خاص نسبت به ساختار دیگر طراحی شده اند.

 ساختار های داخلی فولاد 

مارتنزیت

این سخت ترین شکل ساختار کریستالی داخلی فولاد است. سرد شدن سریع آهن آستنیتی از مارتنزیت تشکیل می شود. به دلیل سرعت خنک شدن سریع، کربن در یک محلول جامد به دام افتاده و باعث سختکاری قطعه می شود. فوق العاده سخت و شکننده است.

مارتنزیت دارای ریزساختار سوزنی است که به صورت صفحات عدسی شکل یا پلاکت‌ هایی ظاهر می‌شود که دانه‌ های فاز اصلی را تقسیم می‌کنند و همیشه با یکدیگر تماس دارند اما هرگز از یکدیگر عبور نمی‌کنند. این ساختار در بسیاری از سیستم های آلیاژی از جمله Fe-C، Fe-Ni-C وجود دارد.

آستنیت

آستنیت بعد از مارتنزیت سخت ترین سازه داخلی فولادی است. به آلیاژهای آهنی اطلاق می شود که در آنها آهن گاما می باشد. معمولاً در دمای زیر 1500 درجه سانتیگراد و بالاتر از 723 درجه سانتیگراد رخ می دهد.

پرلیت

پرلیت با مارتنزیت متفاوت است، زیرا ساختار پرلیت از سرد شدن آهسته تشکیل می شود. این یک آرایش لایه ای از فریت و سمانتیت می باشد. در دمای 723 درجه سانتیگراد، آهن گاما از ساختار FCC خود به آهن آلفا تبدیل می شود و کاربید آهن (سمانتیت) را از محلول خارج می کند.

روش های سخت کاری فولاد

روش های مختلفی برای سخت کاری فولاد وجود دارد. این روش ها ممکن است حرارتی، مکانیکی، شیمیایی یا ترکیبی از دو یا چند مورد از این روش ها باشد.

فرآیندهای سخت‌کاری حرارتی رایج‌ ترین روش ‌های سخت‌کاری فولاد هستند. آنها معمولاً شامل سه مرحله اولیه هستند که عبارتند از گرم کردن فولاد، نگه داشتن آن در دمای خاص و خنک کردن.

مرحله اول به طور کلی شامل حرارت دادن فلز تا دمای بسیار بالا به اندازه کافی برای ایجاد تغییرات ساختاری داخل است. این همچنین کار روی فلز را آسان تر می کند مانند تغییر شکل آن.

 روش های مختلف سختکاری فولاد 

کار سرد

کار سرد معمولاً خواص فولاد یا فلزات را تغییر می دهد. این روش سختکاری فولاد به سادگی تغییر شکل یک فلز در دمای زیر نقطه ذوب آن است. خواصی مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی افزایش می ‌یابد، در حالی که انعطاف‌پذیری و توانایی مواد برای تغییر شکل کاهش می‌ یابد.

سختکاری کرنش، که از تجمع و درهم‌ تنیدگی نابجایی ‌ها در طول تغییر شکل پلاستیک حاصل می ‌شود، یک حالت ضروری برای تقویت عناصر است. اگرچه حدود 90 درصد انرژی در حین کار سرد به صورت گرما تلف می شود، باقیمانده در شبکه کریستالی ذخیره می شود و در نتیجه انرژی داخلی آن افزایش می یابد.

سختکاری آلیاژی محلول جامد

سختکاری محلول عبارت است از افزودن یک عنصر آلیاژی به فلز پایه برای ایجاد محلول جامد. پس از انجماد، فلز به دلیل وجود اتم های آلیاژ در شبکه کریستالی فلز پایه سخت می شود. تفاوت اندازه بین اتم های حل شونده و حلال بر اثربخشی محلول جامد تأثیر می گذارد. اگر اتم املاح بزرگتر از اتم حلال باشد، میدان های کرنش فشاری ایجاد می شود. از طرف دیگر، اگر اتم حلال بزرگتر از اتم های حل شونده باشد، میدان های کرنش کششی ایجاد می شود. اتم های محلول که شبکه را به یک ساختار چهارضلعی منحرف می کنند باعث سختکاری سریع می شوند. یک مثال بارز اثر سمانتیت در فولاد است.

خنک کردن

در کوئنچ کردن که به آن تبدیل مارتنزیتی نیز گفته می شود، فولاد بالاتر از دمای بحرانی در محدوده آستنیت گرم می شود، در این دما نگه داشته می شود و سپس به سرعت سرد می شود یا اغلب در آب، روغن یا نمک مذاب خاموش می شود.

برای فولادهای هیپویوتکتوئیدی، دمای حرارت دهی 30 تا 50 درجه سانتی گراد بالاتر از حد خط حلالیت آستنیت است. برای فولادهای هایپریوتکتوئیدی، دما بالاتر از دمای یوتکتوئید است. کوئنچ باعث تبدیل مارتنزیتی می شود که به طور قابل توجهی فولاد را سخت می کند. با این حال، فولاد سخت شده بسیار شکننده است. بنابراین برای رفع تنش های داخلی و کاهش شکنندگی لازم است تلطیف انجام شود.

حداکثر سختی زمانی به دست می آید که سرعت خنک سازی در کوئنچ به اندازه کافی سریع باشد تا از تبدیل کامل مارتنزیت اطمینان حاصل شود.

سختکاری سطحی

همانطور که از نام آن پیداست، سختکاری یک سطح سخت ایجاد می کند که برای مقاومت در برابر سایش در کاربردهایی مانند میل لنگ، یاتاقان ها و موارد مشابه ضروری است. این روش سختکاری فولاد، به طور کلی شامل یکی از سه رویکرد است:

سختکاری القایی و شعله

این یک عملیات حرارتی تفاضلی سطح است. سطح به سرعت گرم می شود تا مرکز مواد تحت تأثیر قرار نگیرد. سپس مواد با سرعت بسیار بیشتری خاموش می شوند. به این ترتیب سطح بالایی از مارتنزیت در سطح ایجاد می شود.

سختکاری انتشار (نیتریدینگ)

این شامل یک تغییر ترکیبی در ناحیه سطح است. ذرات ریز با اجازه دادن به گازهای انتخاب شده برای واکنش و انتشار در فولاد پراکنده می شوند.

در این فرآیند، فولاد تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا ساختار مارتنزیتی به دست آید. سپس به مدت 12 تا 36 ساعت در معرض اتمسفر آمونیاک در حدود 550 درجه سانتیگراد قرار می گیرد.

عناصر آلیاژی کوچک مانند آلومینیوم تشکیل پراکندگی ریز نیتریدها را می دهند که به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. این ترکیب نیتریدها از نظر سختی بسیار برتر از مارتنزیت است.

کربوره کردن

این فرآیند شامل قرار دادن فولاد در معرض یک جو کربنی در دمای بالا می باشد. جو کربن دار را می توان از زغال سنگ با کیفیت بالا یا گاز طبیعی تولید کرد. اتم‌های کربن در سطح زیرین فلز پخش می‌شوند و در نتیجه محفظه‌ ای با کربن بالا ایجاد می‌شود که پس از خاموش شدن بعدی، یک سطح مارتنزیتی مقاوم در برابر سایش ایجاد می‌کند.